São organelas de forma arredondada ou ovalada presentes no citoplasma de células eucariontes. As mitocôndrias são formadas por duas membranas fosfolipídicas, uma externa, lisa e semelhante à membrana plasmática, em contato com o citoplasma, e outra interna e com várias ondulações – pregas ou cristas mitocondriais, que circunda um espaço denominado matriz. O espaço entre estas duas membranas chama-se espaço intermembranas.

A membrana micotocondrial externa contém muitos canais de ânions dependentes de voltagem, denominadas de porinas. Esses canais são permeáveis à grandes moléculas sem carga de até 5.000 daltons, permitindo, desta forma, que pequenas moléculas, íons e metabólitos possam entrar no espaço intermembranas, mas não penetram na membrana mitocondrial interna. Consequentemente, o ambiente do espaço intermembranas é similar ao citoplasma. A membrana externa possui receptores para proteínas e polipeptídeos que se translocam para dentro do espaço intermembranas. Ela também contém diversas enzimas, incluindo a fosfolipase A2, monoaminoxidase e acetilcoenzima A (CoA) sintase.

A membrana mitocondrial interna é mais delgada que a externa, e é disposta em numerosas cristas ou pregas, que aumentam significativamente a sua área de superfície. É rica em um fosfolipídio denominado cardiolipina, que a torna impermeável a íons. Esta membrana apresenta proteínas que têm três funções principais:

•  realizar as reações de oxidação da cadeia respiratória de transporte de elétrons
• sintetizar ATP
•  regular o transporte de metabólitos para dentro e para fora da matriz.

A matriz mitocondrial é circundada pela membrana interna e contém as enzimas solúveis do ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs) e as enzimas envolvidas na β-oxidação dos ácidos graxos.
Dentro das mitocôndrias existe uma complexa maquinaria química (constituída por proteínas, ribossomos e DNA), capaz de liberar a energia contida nos alimentos que a célula absorve. Isso acontece da seguinte forma: as substâncias nutritivas penetram nas mitocôndrias, onde reagem com o gás oxigênio, em um processo comparável à queima de um combustível. Essa reação recebe o nome de respiração celular. A partir daí é produzido energia em forma de ATP (adenosina trifosfato), já que muitas atividades celulares consomem energia.